Лекция 6. Фон-неймановская архитектура

(продолжение темы «Концепция машины с хранимой в памяти программой»)

(материал из С.А.Орлов,Б.Я.Цилькер “Организация ЭВМ И СИСТЕМ”:учебник для ВУЗов, 2-е издание.-СПб.:Питер, 2011.)

В статье фон Неймана определены основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы рассмотренные в прошлой лекции принципы (см.лекцию 5).

Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления.

Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 1) содержит:

· память;

· устройство управления;

· арифметико-логическое устройство;

· устройство ввода/вывода[1].

Рис. 1. Структура фон-неймановской вычислительной машины

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода.

Термином порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством ввода/вывода ( УВВ) или модулем ввода/вывода вычислительной машины (МВВ).

Память компьютера имеет сложную многоуровневую структуру, реализованную в виде взаимодействующих запоминающих устройств (ЗУ), которые могут использовать различные физические принципы для хранения данных.

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переноситсяво вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса.

Доступ к любым ячейкам основной памяти может производиться в произвольном порядке. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость — хранимая информация теряется при отключении электропитания.

Если необходимо, чтобы часть основной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться.

Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам — байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в последовательности ячеек со смежными адресами. В этом случае за адрес числа часто принимается адрес его младшего байта.

Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200,201, 202 и 203 адресом числа будет 200. Такой прием называют адресацией по младшему байту или методом «остроконечников» (little endian addressing). Возможен и противоположный подход — по меньшему из адресов располагается старший байт. Этот способ известен как адресация по старшему байту или метод «тупоконечников» (big endian addressing) [2].

Адресация по младшему байту характерна для микропроцессоров фирмы Intel, а по старшему байту — для микропроцессоров фирмы Motorola и больших ВМ фирмы IBM.

В принципе, выбор порядка записи байтов существенен лишь при пересылке данных между ВМ с различными формами их адресации или при манипуляциях с отдельными байтами числа. В большинстве ВМ предусмотрены специальные команды для перехода от одного способа к другому.

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обычно имеется дополнительная память, известная как вторичная.

Вторичная память энергонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов — файлов (согласно стандарту ISO, файл — это именуемый набор записей, обрабатываемых как единый блок).

Неотъемлемой частью современных ВМ стала кэш-память — память небольшой емкости, но высокого быстродействия. В нее из основной памяти копируются наиболее часто используемые команды и данные. При обращении со стороны процессора информация берется не из основной памяти, а из соответствующей копии, находящейся в более быстродействующей кэш-памяти.

Наконец, четвертый вид памяти, показанный на схеме, — это регистры центрального процессора. Каждый регистр можно рассматривать как одну ячейку памяти[3], обращение к которой занимает значительно меньше времени даже по сравнению с остаточно быстродействующей кэш-памятью. Число регистров в ВМ обычно невелико, и они образуют небольшую память, иногда называемую сверхоперативной памятью или регистровым файлом. В регистры обычно помещают часто используемые константы или промежуточные результаты вычислений, что позволяет сократить число обращений к более медленным видам памяти.

Отметим, что обязательным элементом фон-неймановской архитектуры можно считать лишь основную память. Включение в состав ВМ остальных видов запоминающих устройств (ЗУ) обусловлено в основном технологическими проблемами, препятствующими созданию достаточно быстродействующих, дешевых и энергонезависимых ЗУ большой емкости.

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть вычислительной машины, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функций УУ вычислительную машину следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может подвергаться определенным видам обработки.

Пересылка информации между любыми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления (СУ), то есть управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности.

Цепи СУ показаны на рис.1 пунктирными линиями.

Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Еще одной неотъемлемой частью ВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ).

АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных (операндов), в итоге которой формируется выходная переменная (результат).

Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции, АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в ходе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшем порядке следования команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое устройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки. В ГОСТ 15971-90 назначение процессора определено как «интерпретация программ».

Дата добавления: 2013-12-12